Quelle: DLR 25. Juli 2023.

25. Juli 2023 – Das Weltall, den Mond oder den Mars erkunden – dazu entwickelt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Schlüsseltechnologien wie die Telepräsenz-Robotik. So könnten Roboter auf einem fernen Planeten Aufgaben erledigen, die ein Mensch vom Raumschiff im Orbit aus kommandiert. Wie das künftig funktionieren kann, hat nun das Missionsteam „Surface Avatar“ am DLR in Oberpfaffenhofen gezeigt: Von der Internationalen Raumstation ISS aus steuerte eine einzelne Person, NASA-Astronaut Frank Rubio, gleichzeitig mehrere Roboter auf der Erde und ließ sie nach Bedarf teil- oder vollautonom agieren. Diese Kollaboration von Mensch und Roboterteam ist weltweit einmalig und der erfolgreiche Auftakt einer neuen ISS-Experimentreihe.

Das Projekt Surface Avatar wird vom DLR-Institut für Robotik und Mechatronik geleitet und erfolgt in Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation ESA.

„Für uns ist es sehr wichtig, den Aspekt der Mensch-Roboter-Kollaboration in den Vordergrund zu stellen, um Astronautinnen und Astronauten die optimale Unterstützung bereitzustellen. Dazu haben wir vor Jahren bereits die Technologie der kollaborativen Roboter entwickelt, die mittlerweile auch terrestrisch breit eingesetzt wird.

Mit den neuesten Durchbrüchen in der KI werden Roboter so vielseitig und intelligent, dass sie leicht auch von Nicht-Robotikern genutzt werden können“, erklärt Prof. Alin Albu-Schäffer, Direktor des DLR-Instituts für Robotik und Mechatronik.

Das Robotikteam verfolgt mit den Experimenten zwei Ziele: Zum einen soll demonstriert werden, wie unterschiedliche Roboter zusammen komplexe Aufgaben für Weltraummissionen erledigen können. Zum anderen untersucht das Team die Variationen, wie sich die Roboter telekommandieren lassen, um diese als intelligente Co-Worker jederzeit genau so einzusetzen, wie es die Situation erfordert.

Arbeiten von manuell bis voll automatisiert
Für das aktuelle Experiment wurde im Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum am DLR-Standort in Oberpfaffenhofen eine Marslandschaft aufgebaut. In dem Szenario sollten drei Roboter als „Vorhut“ des Menschen erste Arbeiten auf der Planetenoberfläche ausführen.

Astronaut Frank Rubio kommandierte die Roboter vom Columbus-Modul der ISS aus und konnte in der zweistündigen Versuchszeit alle Aufgaben umsetzen: Mithilfe des humanoiden DLR-Roboters Rollin’ Justin entlud er den Lander und installierte einen seismischen Sensor. Den Interact Rover der ESA nutzte der Astronaut zur Überwachung des Geländes und den DLR-Lander LAMA zur Unterstützung der wissenschaftlichen Aktivitäten.

Als völlig neue Technologie testete Rubio eine Steuerung mit skalierbarer Autonomie. Er konnte also bestimmen, in welchem Umfang ein Roboter eine Aktion selbstständig ausführen soll. Per Knopfdruck konnte er einen Roboter eine Aufgabe vollständig autonom ausführen lassen. Der Astronaut konnte aber auch als Avatar den Roboter übernehmen und einzelne Arbeitsschritte wie mit eigener Hand ausführen. Dazu stand ihm das Robot Command Terminal (RCT) zur Verfügung, das drei Bedienelemente vereint: Über einen Bildschirm konnte er jederzeit sehen, was der einzelne Roboter sieht, mithilfe eines Joysticks die Bewegungen steuern und dank eines Interaktionsgeräts mit Kraftrückkoppelung fühlen, was der Roboter „fühlt“.

Als Frank Rubio als Rollin‘ Justin zum Beispiel ein Seismometer auf der simulierten Planetenoberfläche platzierte, spürte der Astronaut den Widerstand des Instruments in der Hand.

Zusammenarbeit am Boden und im All
Das RCT ist intuitiv bedienbar, sodass sich der Astronaut schnell an die Tele-Steuerung gewöhnte. Die meisten Aufgaben konnte er dadurch ohne Hilfestellung umsetzen. Das Robotikteam überwachte das Experiment vom Marslabor in Oberpfaffenhofen aus und stand in Funkkontakt mit dem US-Amerikaner auf der ISS.

„Wir freuen uns, einen Schritt weiter zu sein, um Raumfahrenden und Expertinnen und Experten auf der Erde eine breite Palette von Möglichkeiten anzubieten und ganze Teams aus verschiedenen Robotern vom Weltraum aus zu steuern und zu verwalten. Wir werden künftig in der Lage sein, unsere Roboter auf der Oberfläche als ihre physischen Avatare und als intelligente Mitarbeitende zu nutzen, die immer komplexere Aufgaben ausführen“, sagt Principal Investigator Dr. Neal Y. Lii vom DLR-Institut für Robotik und Mechatronik.

„Diese Mensch-Roboter-Kollaboration ebnet den Weg für zukünftige Missionen und permanente Außenposten auf dem Mond und darüber hinaus“, ergänzt ESA-Projektleiter Dr. Thomas Krüger vom ESA Human-Robot Interaction Laboratory.

Damit sich das Projektteam auf das fachliche Geschehen konzentrieren konnte, wurden sie von den Kolleginnen und Kollegen des Columbus-Kontrollzentrums unterstützt. So sorgte das Betriebsteam für die technischen Voraussetzungen und behielt im Blick, dass Surface Avatar und die anderen Aktivitäten an Bord der ISS aufeinander abgestimmt waren.

Zukunft Mond und Mars
Nach der erfolgreichen Technologiedemonstration folgt nun die detaillierte Auswertung sowie die Vorbereitung der nächsten Simulationen. Surface Avatar sieht mindestens drei Experimente im Abstand von rund sechs Monaten vor, die immer umfangreicher und komplexer werden. Die Forschenden von DLR und ESA werden die Fähigkeiten und Telekommandierung der Roboter dazu gezielt weiterentwickeln. Hinzukommen wird auch DLR-Roboter Bert, der mit seinem hundeähnlichen Körper auf vier Beinen auch unwegsames Gelände erkunden kann. „Es geht darum, den Einsatz von intelligenten Robotern zusammen mit Astronautinnen und Astronauten zu demonstrieren und zu üben und die Schnittstellen weiterhin zu verbessern, um die Technologie in den nächsten Missionen zum Mond und später zum Mars einzusetzen“, fasst Prof. Albu-Schäffer zusammen.

Roboter können überall dort eingesetzt werden, wo es für den Menschen zu gefährlich ist. Erkundungsmissionen im Weltraum sind ohne robotische Unterstützung daher undenkbar. Für künftige Missionen wird die Interaktion von Mensch und Roboter eine noch wichtigere Rolle spielen. Aus den Surface-Avatar-Experimenten gewinnen die Forschenden dazu grundlegende Daten, zum Beispiel wie sich die Latenzzeiten auf die Steuerung auswirken, wie die Schwerelosigkeit die Wahrnehmung des Astronauten beeinflusst und welche Herausforderungen sich im Betrieb stellen. Für das kommende Lunar Gateway und andere Missionen zum Mond oder Mars wird Surface Avatar die Telerobotik somit entscheidend weiterbringen.

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Quelle: DLR 1. Juli 2022.

1. Juli 2022 – Roboter können in Gegenden vordringen, die für Menschen gefährlich oder unerreichbar sind. Sie können sogar fremde Planeten erkunden – oder den Mond. Das wurde jetzt am Vulkan Ätna (Italien) gezeigt: Unterschiedliche Roboter haben selbstständig Aufträge erledigt – sie haben Gesteinsproben genommen, analysiert und die Ergebnisse an einen Kontrollraum weitergeleitet. Neben dieser „Geological Mission I“ wurden zwei weitere Szenarien vorgestellt. Sie bilden den Abschluss des Helmholtz-Projekts ARCHES (Autonomous Robotic Networks to Help Modern Societies). Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) leitet das Projekt. Die Lava-Landschaft am sizilianischen Vulkan Ätna ähnelt der Mondoberfläche und eignet sich deswegen gut als Testumgebung. Neben der losen, grobkörnigen Beschaffenheit sind auch die erstarrten Lava-Schichten realistische Herausforderungen für Erkundungsmissionen.

„Teams aus mobilen Robotern haben bei künftigen Weltraum-Missionen eine wichtige Rolle. In heterogenen Teams ergänzen und unterstützen sich die Roboter mit ihren unterschiedlichen Fähigkeiten. Sie dienen als verlängerter Arm und verlängertes Auge des Menschen“, erklärt Dr. Armin Wedler, Projektleiter im DLR-Institut für Robotik und Mechatronik. In der „Geological Mission I“ sah das so aus: Zwei Roboter waren gemeinsam autonom unterwegs. Dazu kommt noch eine Drohne. Roboter LRU1 (Light weight rover unit 1) bewertet Bodenproben über seine Kameras, er gilt im Team als der „Wissenschaftler“. LRU2 übernimmt die Rolle des „Assistenten“, er sammelt Bodenproben ein, bringt sie zum Lander oder analysiert sie mit LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy; Laser-induzierte Plasmaspektroskopie).

Für LIBS wird ein leistungsstarker gepulster Laserstrahl auf die Probe gerichtet. Das Material verdampft teilweise und über das entstandene Plasma erkennt LIBS unterschiedliche Elemente. Das ARCHES LIBS Modul ist eine Entwicklung des DLR-Instituts für Optische Sensorsysteme. LRU2 transportiert außerdem Materialboxen, hat Platz für Werkzeug und stellt sicher, dass LRU1 immer WLAN hat. Die Drohne ARDEA gilt im Team als „Kundschafter“ und kartiert das Gelände. Wegen des zeitweise starken Windes am Ätna konnten die Fähigkeiten von ARDEA und LIBS nicht bei allen Durchläufen eingesetzt werden.

Die drei Szenarien basieren auf unterschiedlichen Rahmenbedingungen
Die „Geological Mission I“ geht davon aus, dass die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Aufgaben der Roboter von der Erde aus überwachen. Anders ist es bei der „Geological Mission II“, die ebenfalls am Ätna gezeigt wurde. Hier werden die Roboter von einer Station im Orbit gesteuert. Neben LRU1 und LRU2 sammelt der Interact Rover Gesteinsproben und bringt sie zu einem Lander. Der Interact Rover hat einen Kameraarm und einen Greifarm, der auch ein haptisches Feedback gibt. Das heißt, er ermöglicht den weit entfernten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ein Tastgefühl für die Gesteinsproben. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat einen Roboterarm mit einer Hand als haptische Mensch-Maschine-Schnittstelle entwickelt. Der vierte Roboter – der Scout-Rover – ist mit einem WLAN-Repeater ausgestattet und platziert sich so, dass Interact kontinuierlich Verbindung zum Kontrollraum hat. Bei der „Geological Mission II“ arbeiten die Roboter nicht autonom, sondern werden von einer Astronautin oder einem Astronauten gelenkt.

Bei der Demomission übernahm der deutsche Astronaut Thomas Reiter diese Aufgabe in einem eigens eingerichteten Kontrollraum in Catania, der etwa 23 Kilometer entfernt war. Die „Geological Mission II“ ist gleichzeitig der Abschluss der Analog-1-Kampagne der Europäischen Weltraumorganisation ESA. 2019 hatte ESA-Astronaut Luca Parmitano im Rahmen der Analog-1-Kampagne von der Internationalen Raumstation ISS aus den Interact Rover in einer simulierten Mondumgebung in den Niederlanden gesteuert.

Antenne für die Rückseite des Mondes
Im dritten Szenario „LoFar Experiment“ ging es um die Installation und Wartung eines Niederfrequenz-Funkantennenfeldes (LoFar, Low-Frequency Radio Array). Die LRU-Rover und die Drohne ARDEA haben so die Aufstellung des Antennensystems auf der Rückseite des Mondes simuliert. Eine entsprechende Antenne könnte von der Mondrückseite in die Tiefen des Weltalls gerichtet werden.

Das Helmholtz-Zukunftsprojekt ARCHES
Im Helmholtz-Zukunftsprojekt ARCHES (Autonomous Robotic Networks to Help Modern Societies) werden seit 2018 heterogene, autonome, vernetzte robotische Systeme entwickelt. Nicht nur die Roboter sind unterschiedlich, sondern auch die Anwendungsfelder. Neben der Erkundung des Sonnensystems ist zum Beispiel die Umweltüberwachung der Ozeane und die Unterstützung bei Krisen auf der Erde möglich.

Die Demo-Mission „Space“, die jetzt auf dem Ätna stattfand, musste wegen der Corona-Pandemie mehrmals verschoben werden. Eine Demo-Mission „Tiefsee“, die ebenfalls zu ARCHES gehört, wurde Ende 2020 durchgeführt.

Die Demo-Mission „Space“ wurde vom DLR gemeinsam mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) in Catania durchgeführt. Weitere ARCHES-Projektpartner sind das Alfred-Wegener-Institut (AWI, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung) und das GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel (GEOMAR). Vor fünf Jahren gab es bereits die Demomission ROBEX (Robotische Exploration unter Extrembedingungen) auf dem Ätna. ARCHES erweitert auch die Erkenntnisse, die durch ROBEX gewonnen wurden.

Neben dem DLR-Institut für Robotik und Mechatronik sind das DLR-Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik, das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation, das DLR-Institut für Optische Sensorsysteme und die Einrichtung Raumflugbetrieb und Astronautentraining an ARCHES beteiligt.

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